Cell子刊:解開懸而未決的生物學謎題
日期:2015-12-29 09:15:55
細胞所面臨的一個常見問題是,它們被一股喜歡的氣味所包圍,必須確定其來源的方向。例如,神經(jīng)細胞,形成長的延伸,被來自其他細胞的信號所吸引,以產生形成神經(jīng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡;同樣,清除細胞可識別有害細菌的氣味,以便可以追趕和破壞它們。
但是,細胞如何感知這些氣味信號呢——因為隨著距離的增加這些信號變得越來越弱,細胞如何“讀取”這個信號的減弱——技術上稱為作為一個信號梯度,以便引導它們生長或朝著信號的來源移動?空間信號是如何被感知的,是生物學面臨的一個基本問題——目前為止這個謎一直懸而未決。
傳感器、處理器和發(fā)動機一體化
現(xiàn)在,瑞士聯(lián)邦理工學院(ETH)生物化學研究所的Matthias Peter教授帶領的研究小組,提出了一個可能的解決方案。酵母細胞有一種非常好的、可調節(jié)的多用工具,來識別化學信號,相應地處理它們,并啟動正確的響應——朝著信號源的方向生長。因此,酵母細胞就能夠聞到潛在性伴侶在周圍環(huán)境中的位置,這樣就可以朝著它們的方向生長。
生物學家將顯微觀察和通過跨學科合作開發(fā)的計算機模型結合起來,開展這項研究。相關研究結果發(fā)表在最近的《Developmental Cell》雜志。
這一多用工具由許多蛋白構成
如果細胞認為附近有信號梯度,它就在細胞膜的一個隨機位置組裝這種多用工具。這種工具是一個大的蛋白復合物,由100個以上的不同成分組成,其復雜性是如此之大,因此它可以通過熒光顯微鏡來觀察。研究人員將其稱為一個‘極性站點’(PS),因為在它形成的位置開始極性生長。
使用熒光顯微鏡,研究人員現(xiàn)在已經(jīng)觀察到PS是如何定位一個梯度信號的來源的。首先,PS沿著膜向更強的信號移動。一旦它已經(jīng)確定了最強的信號,即在梯度中最大量的信號物質,它就停止移動。然后,在這個位置上,PS會在細胞中產生一個隆起,繼續(xù)朝著信號源的方向發(fā)展。很自然地,當一個性伴侶和兩個細胞一旦找到對方時,兩者融合起來,就會產生這種信號。
使用一個模型簡化復雜結構
為了理解這個過程的分子力學,研究人員提到了計算機模型。這項研究的第一作者Björn Hegemann指出:“這種模式確實幫助我們減少了P S的復雜性和到幾個重要部件的過程。”這些關鍵的機制部件包括一個接收和轉發(fā)信號的受體;其他包括Cdc42蛋白——攜帶受體沿著膜移動,Cdc24蛋白——調節(jié)Cdc42的活性。你可以將這個受體描述為鼻子,Cdc42作為機械的輪子,Cdc24作為剎車。”
雖然PS穿過了細胞膜并尋找一個更強的化學信號,但是,只有少數(shù)的破壞蛋白質Cdc24分子存在于機械中。一旦它發(fā)現(xiàn)信號的最大濃度,PS就請求額外的Cdc24分子——它們存儲在細胞核中,結合到復雜合物上。附著于PS機械的Cdc24分子越多,速度就會越來越慢。然而,只有當Cdc24數(shù)超過一定閾值時,PS才會完全停止,并在細胞中開始形成隆起。
一塊重要的基石
Hegemann對這些新發(fā)現(xiàn)感到非常高興,他說:“首先,我們用熒光顯微鏡觀察了極性部位的運動。然后,我們在計算機上模擬了這一運動,這得使我們能夠提出一種假設,來解釋這種運動是如何被控制的。那么,我們就可以通過突變和使用熒光顯微鏡,實驗性地確認這一假設。”他說,相對簡單的計算機模型,通過使研究人員能夠快速改變組件以及確定重要方面,為實驗規(guī)劃提供了一個良好的基礎。他說,這使得這項研究更為簡單,因為沒有必要對每一項實驗進行檢驗。
Hegemann假定,它不僅僅是酵母細胞使用一種多用工具來組裝極性部位。在裂解酵母(S. pombe)和線蟲(C. elegans)中,類似于PS的行為也被觀察到,但是沒有分子解釋。ETH的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)提供了這一解釋,第一次詳細描述了細胞如何能定位一個氣味梯度。這項工作,為進一步研究細胞感知的空間信號——無論是酵母還是人類,都奠定了重要的基礎。根據(jù)Hegemann介紹,目前沒有設想直接的醫(yī)學應用:“在遙遠的未來,這項工作可能對公眾有益。然而,在目前,它主要代表了基礎研究的一個重要進步。”
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